新型无机注浆材料在大采高工作面冒顶区处理中的应用

薛 帅

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西，晋城048000）

大采高工作面综采技术具有回采工艺简单，资源回收率高，瓦斯治理难度小等优点，已经成为我国山西、内蒙等矿区建设高产高效矿井的主要途径之一，但是大采高工作面矿压显现强烈，当煤体、顶板较软时，煤壁易发生片帮，难以有效支撑顶板，引起顶板大范围冒落[1-2]，而停采会导致顶板破碎程度加剧。因此，在冒顶发生后，有效处理冒顶区，加固前方煤壁、顶板，是矿井高效开采的一个重要课题。注浆加固是一种有效的冒顶区处理方式，浆体可以填充煤岩体中的裂隙，改善煤岩体结构完整性，提高其自身承载能力[3-4]。本文以晋煤集团长平矿4304大采高工作面为研究对象，针对冒顶区处理的问题，对冒顶区施工临时通道，采用新型无机双液注浆材料，配合中空注浆锚索对煤壁和顶板进行预加固，使大采高工作面安全高效通过了冒顶区。

1 工程概况

晋煤集团长平矿设计生产能力600万t/a，开采3#煤层，一直面临着煤软、顶板软的问题，自引进6m的大采高后，影响更为突出。4304大采高工作面倾斜长195m，走向长1060m，开采仰角4°，平均采高6m。在工作面即将推进到主撤架通道时，遇到构造带，煤层松软，再加上受周期来压影响，煤壁上部片帮严重，顶板破碎，工作面距机头30～150m范围内出现不同程度的冒顶，其中距机头95～120m范围内冒顶更为严重，局部最大冒顶高度达6.4m。支架无法接顶，工作面停采，如图1所示。

图1 大采高工作面冒顶状态示意图

2 冒顶区处理方案

2.1 施工临时通道

由于冒顶已经发生，支架无法接顶，支架顶梁前方也被破碎的矸石堆积，传统的工作面煤壁、顶板注化学浆加固方式已无法取得有效作用，必须对顶梁上矸石进行清理，对前方区域进行加固。在支架前方沿煤层顶板掘进临时通道，处理悬露矸石，后在临时通道内对通道上方顶板、前方顶板和煤壁采取注浆加固措施。

临时通道采用炮掘工艺，沿煤层顶板掘进，断面为3.5m×3.0m，贯穿工作面全长。采用锚网索支护，帮锚杆采用Φ20mm×2400mm玻璃钢锚杆，顶锚索采用Φ22mm×8300mm高强度钢绞线锚索，排拒均为1.0m。顶板特别破碎区域架棚支护，架棚间距1.0m，对冒落高度较大的区域使用发泡材料充填，如图2所示。

图2 冒顶区临时通道施工方法及支护示意

2.2 煤壁及顶板注浆加固

通过掘进临时通道，对冒顶区碎矸和顶板进行加固后，为了防止冒顶区进一步扩展，必须对工作面前方破碎煤壁和顶板进行预加固，以防止工作面向前推进过程中，在强支承压力下煤壁片帮，再次诱发冒顶。

如图3所示在临时通道内，布置煤壁、顶板注浆钻孔，其中煤壁注浆加固钻孔布置一排，开孔高度距临时通道底板1.5m，钻孔直径Φ42mm，孔深8.0m，孔间距6.0m，孔口封孔管采用2.0m长的4分镀锌钢管，里面采用6.0m长的铝塑管作为注浆花管；工作面顶板每一排布置两个钻孔，一个垂直顶板施工，一个与顶板45°夹角，孔间距6.0m，孔深8.0m，钻孔0～4m 孔 径 Φ42mm，4～8m 孔 径 Φ32mm， 采 用Φ22×8000mm的中空注浆锚索进行顶板加固。

图3 冒顶区煤壁及顶板注浆钻孔布置图

2.3 新型无机双液注浆材料性能

采用的新型无机注浆材料为双液注浆材料，由A、B两组分组成，双液混合之后1～3min失去流动性，5～10min完全固化。在水灰比0.8：1的情况下，2h可达12MPa左右，不同水灰比下强度参数如图4所示。该材料具备速凝早强特性，固化速度和强度与高分子注浆材料相当，但使用时安全性更好，无毒腐蚀作用，注浆成本仅为聚氨酯类高分子注浆材料的20%。此外，该类注浆材料施工水灰比可调范围大（0.5～2：1），即使水灰比较大时也具备较好的固化特性，结石率仍可以达到100%，适合于不同破碎程度的围岩注浆。

图4 新型无机注浆材料强度曲线

2.4 中空注浆锚索及工艺改进

本次冒顶区处理顶板采用Φ22×8000mm的中空注浆锚索进行注浆加固，锚固长度1500mm，破断力≥420kN，预紧力100kN，配套托盘400mm×400mm×16mm。

图5 中空注浆锚索安装示意图

现有的中空注浆锚索采用止浆塞封孔，长度仅为300mm，难以起到有效的封孔效果。冒顶区域内注浆钻孔孔口在止浆塞的作用下不发生漏浆，但浅区破碎围岩裂隙发育，且贯通性好，因此大量浆液会从孔口0～2m范围内的裂隙通道漏出，造成注浆失败。因此必须采取措施改善中空注浆锚索封孔工艺，但又不能影响锚索树脂药卷搅拌锚固。本次主要采用锚索锚固后，张拉之前向孔口填塞棉纱的方法，填塞长度1.0～1.5m，根据围岩破碎情况确定，漏浆严重时适当增加长度，如图5所示。靠此方法很好的解决了围岩浅区漏浆问题，其主要原因在于新型双液注浆材料混合后能够快速失去流动性，稠度、粘度增加，很难通过填塞棉纱区域，从而封堵浅层区域。

3 注浆加固效果分析

通道上方顶板注浆钻孔和前方顶板钻孔各施工35排，煤壁钻孔施工34排，平均每孔注浆干料约2.0t，浆料约3.6t，最大单孔注浆量干料约6.3t，浆料约11.3t。从注浆量上看，冒顶区破碎围岩得到充分加固。另外注浆过程中，未发生过封孔不严实孔内漏浆现象，浆液在完全渗流区内扩散至表面发生漏浆时，停泵1～2min可自行封堵，注浆终止压力一般在8MPa左右。

注浆之后，煤壁和顶板变形明显减小，经现场观测，7d后煤壁累计向支架侧移近20mm，顶板累计下沉25mm，煤壁和顶板得到控制。

注浆过后7d，工作面继续推进，煤壁片帮明显减轻，未再次发生冒顶，工作面顺利推过。

4 结 论

1）新型无机双液注浆材料具有快速凝结、固化的特性，能够满足时效性较强的工程需要，且与高分子材料相比，水灰比可调，凝结速度可调，材料粘度大小可调，能够适应不同破碎程度围岩注浆；

2）通过在中空注浆锚索锚固和张拉两个工序之间填塞棉纱封孔，靠浆液的快速自封特性，解决了以往中空注浆锚索施工工艺中存在的封孔长度短、孔口附近完全渗流区漏浆难以处理的问题；

3）采用掘进临时通道并对前方顶板、煤壁进行预注浆的冒顶区处理方式，成功的处理了冒顶区，对可能发生的再次冒顶事故起到了预防作用，为类似条件下冒顶区处理提供了一种解决办法。